李向東，霍莉莉，劉艷娟

（青海省水利水電勘測設(shè)計研究院，青海 西寧 810000）

三維技術(shù)與BIM在水利設(shè)計行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展探索

李向東，霍莉莉，劉艷娟

（青海省水利水電勘測設(shè)計研究院，青海 西寧 810000）

自國內(nèi)先后引入三維設(shè)計和BIM（建筑信息模型）概念以來，隨著軟件技術(shù)進步，近年三維設(shè)計和BIM已成為水利設(shè)計行業(yè)設(shè)計和信息化的主要議題。行業(yè)內(nèi)通過逐步探索應(yīng)用，取得了一定的成果，但主要仍停留在個別單位等局部范圍，總體缺乏技術(shù)標準和發(fā)展規(guī)劃。文中通過分析現(xiàn)狀問題，探索出結(jié)合行業(yè)自身情況，相對務(wù)實的發(fā)展之路。

三維設(shè)計；BIM；水利設(shè)計；現(xiàn)狀；探索

1 三維設(shè)計的必然性

回顧20世紀，以AutoCAD為代表的CAD類工具的出現(xiàn)，以及以PKPM、Ansys等為代表的CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助分析）在水利設(shè)計行業(yè)的普及應(yīng)用，極大地提高了水利設(shè)計行業(yè)制圖、修改、計算分析效率，促進了水利設(shè)計行業(yè)的整體技術(shù)水平，為近20年水利水電工程大發(fā)展提供了必要的技術(shù)支持。然而，隨著水利水電工程建設(shè)近20年的跨越式發(fā)展，水利水電建設(shè)項目逐漸飽和，設(shè)計行業(yè)之間的競爭也越來越激烈。近期及未來工程規(guī)模、形態(tài)和功能越來越復(fù)雜，同時建設(shè)方對工程的設(shè)計質(zhì)量、周期、內(nèi)容要求也逐步提高。未來高度復(fù)雜化的工程建設(shè)項目，如仍然以AutoCAD為主要手段、以二維平面工程圖紙為核心的設(shè)計模式將遠遠不能滿足要求，也不具有市場競爭力。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步發(fā)展和水利行業(yè)設(shè)計工作的市場化，項目建設(shè)方和主管審查部門對項目設(shè)計質(zhì)量、精度的要求越來越高，同時工程的設(shè)計周期卻不斷壓縮，工程設(shè)計的整個周期內(nèi)，項目建設(shè)方和主管審查部門往往全程參與，這就需要設(shè)計工作針對不同專業(yè)角度提供真實的、直觀的，且包含足夠技術(shù)參數(shù)的方案形象。傳統(tǒng)的二維設(shè)計和項目信息展示手段，存在設(shè)計理念方案展示抽象、識圖專業(yè)要求高、設(shè)計理念展現(xiàn)扁平、修改周期長等諸多缺點，顯然越來越不能適應(yīng)市場的需求。這就需要尋找更為先進快捷的技術(shù)手段和理念來順應(yīng)時代的發(fā)展，昭示著繼第一次“甩圖版”設(shè)計革命后的第二次設(shè)計行業(yè)革命的到來。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和相應(yīng)軟件的進步，近年來三維設(shè)計相關(guān)的理念和應(yīng)用軟件層出不窮，推動了設(shè)計行業(yè)的發(fā)展。先進的三維協(xié)同設(shè)計及相關(guān)仿真技術(shù)可有效提高工程設(shè)計的質(zhì)量、效率和水平，同時優(yōu)化設(shè)計流程、提高設(shè)計信息的共享和展示程度，從而全面提高設(shè)計行業(yè)的科技實力和綜合競爭力，順應(yīng)時代發(fā)展。

2 水利設(shè)計行業(yè)三維設(shè)計開展現(xiàn)狀

進入新世紀以來，隨著三維技術(shù)的發(fā)展，水利設(shè)計行業(yè)個別單位企業(yè)也在順應(yīng)時代發(fā)展，逐步探索和開展了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，也取得了一定的成果。但大多受資金和投入影響仍掙扎在二維圖紙和三維模型設(shè)計之間進行思路轉(zhuǎn)換的階段，在三維協(xié)同設(shè)計及仿真技術(shù)方面依然落后，至于真正能達到BIM設(shè)計和信息化的單位企業(yè)鳳毛麟角，且大多集中在具有行政主管職能和科技攻關(guān)任務(wù)的部級大型設(shè)計單位。

目前市場上能針對水利設(shè)計行業(yè)相對成熟的主流三維設(shè)計工具主要有Autodesk三維與BIM設(shè)計系列軟件、法國達索飛機公司的Catia、Bentley的Architecture系列、Graphisoft的ArchiCAD等。據(jù)不完全統(tǒng)計現(xiàn)應(yīng)用較多的主要是Autodesk系列、Catia和Bentley，其中Autodesk系列因其二維CAD軟件的延續(xù)性和相對豐富的產(chǎn)品線，在國內(nèi)水利設(shè)計行業(yè)占據(jù)主要市場份額，尤其受中小型設(shè)計單位歡迎，推廣也相對快速普及，具有一定代表性。以上軟件及軟件集大都于2000年后進入中國，前期主要以三維模型設(shè)計被業(yè)內(nèi)逐漸認識和接受，數(shù)年后先后引入了BIM概念并在國內(nèi)推廣。前期主要在建筑設(shè)計領(lǐng)域開展較早，隨著水利行業(yè)設(shè)計需要，近十來年也在水利設(shè)計行業(yè)得到了長足的發(fā)展。

以水規(guī)總院、昆明院、黃委院等為代表的大型綜合甲級設(shè)計單位，較早的開展了三維設(shè)計和BIM應(yīng)用，并取得了較大成績，部分基本具備了脫離二維，做到了全階段三維設(shè)計和BIM應(yīng)用。但以省級設(shè)計院為代表的大多數(shù)勘察設(shè)計單位，依然沒能真正意義上的實現(xiàn)三維設(shè)計，更談不上BIM應(yīng)用，其中部分單位雖然開展數(shù)年但受資金和態(tài)度等因素影響，仍然停留在“二維設(shè)計、三維展示”的初級階段。其他中小設(shè)計單位和企業(yè)更是發(fā)展緩慢，更多的存在于個人愛好學(xué)習(xí)階段。

分析近年來之所以三維設(shè)計沒能全面發(fā)展和普及的原因，發(fā)現(xiàn)這與其推廣和應(yīng)用的過程有關(guān)。通常前期受市場導(dǎo)向影響設(shè)計單位相對積極性較高，通過購置軟件邀請相關(guān)軟件廠商為設(shè)計人員進行軟件培訓(xùn)和BIM技術(shù)理念的闡述，通過軟件培訓(xùn)，向設(shè)計人員傳達新穎的設(shè)計思想及技術(shù)、解決方案，提高了勘測設(shè)計人員業(yè)務(wù)技能和三維設(shè)計素養(yǎng)。然而隨著應(yīng)用的逐步深入，設(shè)計及協(xié)同難度的加大，加之現(xiàn)階段又缺乏相應(yīng)技術(shù)標準，設(shè)計單位的意志和人員的熱情受到打擊，積極性隨之下降。同時，受資金和人員投入壓力影響，雖然三維設(shè)計前期有一定的推進，但始終沒有實際匹敵于二維傳統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用成果，沒有形成有效的生產(chǎn)力，往往隨著工程設(shè)計任務(wù)的工期和傳統(tǒng)思維的影響，三維設(shè)計工作胎死腹中，最終大都基本處于停滯狀態(tài)。對此我們無可厚非，畢竟對于新技術(shù)的開拓從來都不是大家齊頭并進的，不是所有設(shè)計單位都有能力投入和堅持的。畢竟在三維設(shè)計沒有真正成熟的初期探索階段，存在較大風(fēng)險，三維設(shè)計在模型建立和成果產(chǎn)出的過程中存在不確定性，我們不能預(yù)測其中間存在的問題，在三維成果沒有最終成型前，如果失敗或者工期延誤，對于設(shè)計成果無法提取，這相對于二維設(shè)計就存在巨大的不確定性。也將無法體現(xiàn)三維可視化設(shè)計中，解決二維設(shè)計存在的各專業(yè)錯、漏、碰等問題，能夠快速進行方案對比，提出各種工程量計算結(jié)果，從而降低設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量和工作效率的優(yōu)越性。同時，受審圖人員和相關(guān)指導(dǎo)設(shè)計專家的影響，設(shè)計過程不能有效的得到監(jiān)督和把控，這是制約其發(fā)展誘因。

水利行業(yè)三維設(shè)計和BIM應(yīng)用是未來行業(yè)發(fā)展的必然，但是三維設(shè)計的開展不僅需要相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)，同時也受管理階層意志和資金的影響，探索能夠適用不同單位資金和技術(shù)力量的發(fā)展方法，是水利行業(yè)三維設(shè)計推進的關(guān)鍵。

3 水利設(shè)計行業(yè)三維設(shè)計發(fā)展探索

通過研究分析現(xiàn)階段國內(nèi)三維設(shè)計和BIM的開展情況，結(jié)合行業(yè)設(shè)計單位技術(shù)力量和資金的實際狀況，認為現(xiàn)階段三維設(shè)計發(fā)展應(yīng)結(jié)合自身狀況量力而行。對于已經(jīng)卓有成效的設(shè)計單位，應(yīng)利用已建成立的水利水電BIM設(shè)計聯(lián)盟和基金平臺積極推廣和指導(dǎo)行業(yè)BIM發(fā)展，抓緊制定相關(guān)技術(shù)和發(fā)展標準，為我國水利行業(yè)三維設(shè)計和BIM應(yīng)用的全面普及貢獻力量。對于中小型設(shè)計單位，由于受資金和技術(shù)實力的影響，不可能過多的投入開展，但也應(yīng)積極參與借鑒成功經(jīng)驗探索適合的發(fā)展之路。

3.1 三維發(fā)展模式

根據(jù)近年來大部分水利設(shè)計單位三維發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)律，認為現(xiàn)階段較為有代表的模式大致應(yīng)經(jīng)歷以下幾個階段，三維效果圖、三維動畫展示、三維設(shè)計出圖和BIM協(xié)同設(shè)計四個發(fā)展過程。該種發(fā)展模式的好處在于，能在每個階段得到相應(yīng)的設(shè)計成果，防止一味追求過高的設(shè)計預(yù)期導(dǎo)致設(shè)計始終不能有效落地，挫傷設(shè)計者和觀者的積極性，穩(wěn)扎穩(wěn)打逐步體現(xiàn)出其設(shè)計的魅力和適用性。

三維設(shè)計直接出圖乃至BIM協(xié)同設(shè)計雖然是三維設(shè)計的最終目標，但是現(xiàn)階段沒有成熟的發(fā)展經(jīng)驗和標準，盲目的追高勢必造成大量的人力和財力開支，且存在設(shè)計成果的不確定性?，F(xiàn)階段從三維模型的建立到三維效果圖甚至三維動畫的展示，是大多設(shè)計單位三維發(fā)展的捷徑。近期三維設(shè)計的突破點應(yīng)落足于三維效果圖設(shè)計，并逐步開發(fā)工程設(shè)計三維視頻動畫，在以上兩項工作的推廣帶動下，結(jié)合逐漸成熟的市場經(jīng)驗和標準最終實現(xiàn)三維設(shè)計出圖和BIM協(xié)同設(shè)計。

（1）三維效果圖

這里所說的效果圖不等同于現(xiàn)有市場上利用3Dmax、Maya、Photoshop等軟件制作的單純形象展示成果，該三維效果圖是通過三維協(xié)同設(shè)計相關(guān)軟件，基于水利工程實際設(shè)計所構(gòu)建的精準的建筑物及地形模型，通過對基本模型單元的組合得到的符合工程實際和精度要求的三維真實場景。該過程本身即是BIM設(shè)計的基礎(chǔ)工作，是未來BIM協(xié)同的技術(shù)儲備。

如今基本的水利工程三維模型建立已經(jīng)較為容易達成。然而，如何將該成果從擱置的電腦硬盤提取出來有效展示，一直是制約三維發(fā)展和推廣的瓶頸，三維效果圖是三維設(shè)計成果實現(xiàn)較快落地的捷徑。首先在工程設(shè)計初期和項目匯報過程中，三維效果圖能夠較好的展示工程的設(shè)計思路和理念，同時，又可以提升工程設(shè)計和匯報的設(shè)計水準，使業(yè)主和評審專家領(lǐng)導(dǎo)更加直觀的理解項目。

（2）項目三維視頻

在三維效果圖逐步應(yīng)用的助力下，通過進一步視頻生成軟件的銜接，設(shè)計單位時下可較為快速的實現(xiàn)項目三維動畫展示的落地，后期加入解說配音和文字，可以實現(xiàn)項目匯報的自動化和可視化。他的實現(xiàn)將改變以往簡單枯燥的平面匯報形象，對設(shè)計單位項目匯報和展示提供幫助。至關(guān)重要的是設(shè)計項目視頻場景的搭建，意味著單元模型的組合，通過相應(yīng)結(jié)果的反饋，可實現(xiàn)多專業(yè)成果協(xié)調(diào)、碰撞分析、建筑物分析，最大限度地發(fā)現(xiàn)模型中存在的各系統(tǒng)間“錯”、“漏”、“碰”等問題，方便調(diào)整模型，反饋指導(dǎo)設(shè)計，使設(shè)計更合理對多專業(yè)協(xié)同成果的優(yōu)化意義重大。

三維視頻的關(guān)鍵在于實際地形的處理，過于真實精細意味著大量的投入和漫長的周期，對此可根據(jù)成果的對象和目標分類設(shè)計，如圖1。

（3）三維設(shè)計出圖和BIM協(xié)同設(shè)計

BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，通過建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點。10年前就有人預(yù)言 BIM是繼“甩圖板”后的第二次設(shè)計變革；然而，今日只有極少數(shù)設(shè)計院才僅僅開始BIM設(shè)計，大多仍然以二維設(shè)計為主。可見其發(fā)展的不易。

結(jié)合設(shè)計單位實際，三維設(shè)計出圖是BIM協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)前攻克的重點，根據(jù)現(xiàn)有掌握的知識和軟件手段，實現(xiàn)它基本不存在技術(shù)障礙，主要難點在于標準的制定和應(yīng)用的推廣，這有賴于水利設(shè)計行業(yè)龍頭單位的帶動，可有針對性的借鑒學(xué)習(xí)逐步推進。

圖1 三維視頻分類流程圖

3.2 三維設(shè)計項目管理

水利行業(yè)三維設(shè)計項目的管理也是三維設(shè)計推動進程中的關(guān)鍵。要想處在時代變革的潮頭關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)變思想，提高認識，采取什么樣的態(tài)度與措施。針對三維設(shè)計存在發(fā)展不平衡、不協(xié)調(diào)、部門重視不夠、專業(yè)合作不緊密等問題，設(shè)計單位宜成立專門的三維設(shè)計推廣專門部門，制定發(fā)展規(guī)劃和發(fā)展目標，逐步攻克相關(guān)技術(shù)難點，負責(zé)設(shè)計成果的推廣和應(yīng)用培訓(xùn)。

4 結(jié)語

BIM協(xié)同設(shè)計，是數(shù)字化革命的必然，是水利設(shè)計行業(yè)發(fā)展必須要面對、經(jīng)歷的鴻溝，同時也是水利傳統(tǒng)企業(yè)蛻變的機遇。特別是中小設(shè)計單位受技術(shù)資金、技術(shù)和管理條件限制，雖然困難重重，但應(yīng)結(jié)合自身情況合理規(guī)劃打好 基礎(chǔ)，依托水利水電BIM設(shè)計聯(lián)盟緊跟發(fā)展。本文對水利行業(yè)三維發(fā)展現(xiàn)狀進行了初步的分析研究，認為采取相對務(wù)實的，以三維效果圖和視頻技術(shù)為突破，通過必要的技術(shù)和三維思維意識積累逐步實現(xiàn)三維出圖，最終全面開展BIM信息化設(shè)計的發(fā)展模式，是水利行業(yè)三維設(shè)計發(fā)展的關(guān)鍵。希望以上探索研究對水利設(shè)計行業(yè)提供借鑒意義。

［1］李斌，宗志堅，鄭會春.水利水電工程三維設(shè)計方法引進與研究［J］.人民黃河，2011（05）.

［2］王進豐，李小帥，傅尤杰.CATIA軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用［J］.人民長江，2009（04）.

［3］廖小烽，王君峰.Revit 2013/2014建筑設(shè)計火星課程［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［4］李敏.基于BIM技術(shù)的可視化水利工程設(shè)計仿真［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2016（03）.

［5］林映波.水工建筑三維輔助設(shè)計［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2008（04）.

［6］韋光林.三維CAD技術(shù)在水利水電工程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2015（09）.

［7］宋明佳.水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計中三維可視化的應(yīng)用與研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2013（12）.

［8］魏群.BIM技術(shù)在平板鋼閘門三維設(shè)計軟件研發(fā)中的應(yīng)用［J］.華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（03）.

［9］張超，陳蕾蕾，王?？?BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計咨詢項目中的應(yīng)用［J］.江蘇水利，2015（09）.

［10］苗倩.BIM技術(shù)在水利水電工程可視化仿真中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2012（10）.

［11］徐鵬，吝江峰，左威龍，等.水利工程三維BIM鋼筋標注二次開發(fā)技術(shù)研究［J］.小水電，2016（04）.

TV222.2

A

1672-2469（2017）10-0141-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.040

2017-05-15

李向東（1981年-），男，高級工程師。